DE3106184C2 - Verfahren zur Schmierung von Lagerstellen und Getriebeteilen - Google Patents

Verfahren zur Schmierung von Lagerstellen und Getriebeteilen

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Description

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Die Rrfindung betrifft ein Verfahren zur Schmierung von Gleitstellen, Lagern. Hand und Winkelstücken. Turbinenlagern mit hohen Drehzahlen, mit zwei Schmiermitteln, wovon das eine ein Polymer und das andere ein Öl eventuell in Verbindung mit Additiven ist.
Schmierstoffe sollen die Reibung von aneinander bewegten Metallteilen soweit als möglich herabsetzen. Bei großem Flächendruck und sich sehr schnell gegeneinander bewegenden Teilen sind besondere Schmierverfahfen erforderlich. Bei der verschleißfesten Völlschmierung trennen hydrodynamische Schmiefkeile dieöleitpartfiet,
Bisher ungelöst ist das Problem der langzeitigen Schmierung von Gleitstellen, Lagern und Kugellagern, insbesondere bei medizinischen Geräten mit sehr hohen Drehzahlen von z. B. über 20 000 U/min (z. B. Winkelstücke) bis im Extremfall von 350 000 U/min und höher bei z. B. Handstücken (Turbinen) im Dentalbereich. Das zu lösende Problem stellt folgende Anforderungen an die Schmierung:
— hydrodynamische Schmierung (Flüssigkeitsreibung),
— Haftung des Schmiermittels an der Schmierstelle auch bei hohen Zentrifugalkräften,
— hohe Temperaturstabilität des Schmiermittels und
— niedrige und konstante Viskosität des Schmiermittels auch unter Belastung.
Die übliche Schmiertechnik führte in Dauerversuchen an Turbinen nur zu kurzen Lebensd-.iern; die Kugellager fielen durch Freßverschleiß aus. Auch fluorierte Öle mit hoher thermischer Stabilität oder Kombination davon erbrachten keine nennenswerte Verbesserung der Lebensdauer.
Zahnärztliche Antriebe, wie höchsttourige luftgetriebene Turbinen mit Drehzahlen bis zu 500 000 U/min, elektrisch und pneumatisch angetriebene Hand- und Winkelstücke für einen Drehzahlbereich von 100 U/min bis 200 000 U/min und Luftmotoren mit Drehzahlen bis zu 50 000 U/min benötigen /um einwandfreien verschleißarmen Lauf eine intensive Wartung der Lagerstellen und der Getriebe. Die derzeitige Wartung erfolgt durch eine täglich mehrmals durchzuführende Schmierung mittels eines unter Druck stehenden Schmiermittels aus einer Spraydose. Ebenso sind Tauchölungen, insbesondere bei Hand- und Winkelstucken, üblich.
Es ist bekannt (H. Wochnowski. B. Müssig. ».Schmiertechnik und Tnbologie«. 27. 1980. Seiten 47 bis 50). daß Zusätze von Polymeren zu einer erheblichen Reduzie rung des Verschleißes an Reibstellen führen Die Ausnutzung dieses Effektes liegt auch handelsüblichen hpilamisterungsmiiicln zugrunde. Bei allen Polymcr/usätzen zu Schmierölen ist jedoch die mechanische Zerkleinerung von Polymeren (Abbau) durch Scherurig ein lange bekanntes Problem. Bei Hydraulikolen gibt es sogar eine DIN 51 382 zur Bestimmung des bleibenden Viskositätsabfalles dun h Scherung der Polymerzusäl/e. Nach Wochnowski und Müssig wurde sogar beobachtet, daß polymcrhaltige Öle manchmal sogar einen höh« ren Verschleiß als undoticrte Öle ergeben und auch der scheinbare Viskosnätsabfall (s DIN 51 382) dazu fuhren kann, daß min vom Bereich der i./drodynamischen Schmierung in das Gebiet der Mischreibung gelangt.
Die Wirksamkeit der Polymerzusätze läßt sich bei fcinwerktechnochen Schmirrproblemen dadurch erklären, daß man sich bei fast ?.llen Schmierungen im Mischrcibungsgebiet bewegt. In diesem Bereich spielt die Viskosität (und damit auch der Viskosnätsabfall) keine Rolle. Allein chemische Eigenschaften, wie Haftung an der Oberfläche, z. B. Oberfläche der Kugeln, sind entscheidend. Das Mischreibungsverhältnis darf bei hohen Drehzahlen jedoch auf keinen Fall erreicht werden, da sonst eine viel zu hohe Erwärmung durch Reibungsverluste auftritt.
Aus der Vielzahl von LheralursleÜen dieses Sachge* bietes sind nur die folgenden ausgewiihiti
In der BE*PS 7 16 968 werden Mineralöle als Schmierstoffe auf Paraffiti'Naphlen^ bzw, Aromaten-Basis bis 3,5% eines Polyacryl* bzw* Pöly-Methäcfylsäüfeesiefs zugesetzt, Zusätzlich köftnen größere MassenanieÜe(ca.
10%) an Additiven gegen extreme Druckbelastung (Phosphor- und Schwefelverbindungen) beigefügt sein. Die geringsten Ölverluste werden mit einer öinebeischmierung erreicht.
Den Stand der Technik über die derzeit eingesetzten ·, Schmieröle unrl -feue bei Wälzlagern beschreibt die SKF-Druckschrift VVTS 7 50 321 (Antriebstechnik 1975. Heft 3 und 4. Seite 3 ... 12). Über den Einsatz von Kunststoffen und Festschmierstoffen bei Gleitlagern gibt die SKF-Druckschrift WTS 7 90 421 (»Schmier- <„ technik und Tribologie« Heft 2/79. Seite 40 ... 43) Auskunft
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zur Lösung der aufgezeigten Probleme zu realisieren. Diese Aufgabe wird r, dadurch gelöst, daß auf die Schmierstelle das Polymer, insbesondere ein Fluorpolymer, durch Tauchen, Sprühen o. ä. aus einer Lösung mit 0,1 bis 10% des Polymers aufgebracht und anschließend nit einem polaren Öl geschmiert wird. >o
Bei der Lösung nach der Erfindung wird die Kraftübertragung durch Schwingung und Scherung durch das bekannte Schmiermittel voll aufgefangen und nicht an das Fluorpolymer weitergegeben. Nach der beschriebenen Methode behandelte Kugellager erreich- >s ten bei Turbinenanwendungen, das heißt bei Drehzahlen von 350 000 U/min, eine wartungsfreie Laufzeit von bis zu 40 Stunden. In herkömmlicher Wartungstechnik wurden lediglich Zeiten bis zu maximal 6 Stunden erreicht. jo
Bekannt ist die Verwendung von wäßrigen Emulsionen aus Polysiloxane: (Silinonölen) zur Schmierung von Metallen (I R PS 2167 126). Die -ir Bildung der Emulsion verwendeten Seifen stellen flüssigkristalline Systeme dar. Auf die direkte Verwendung eines Öles mit flüssigkristallinem Charakter ist in Zusammenhang mit der Schmierung auf einem Polymerfilm noch nicht hingewiesen worden.
Im allgemeinen sind jedoch natürliche Fette. Öle und Ester langkettiger Carbonsäuren flüssigkristallin aufge· baut.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung findet ein Öl Verwendung, das eine Biskosität von 10 ... l50mm'/s bei 40^C besitzt und vorzugsweise aus der Gruppe natürlicher fetter öle (ζ. B. Glycidester) oder ein langkett'ger Mono- oder Dicarbonsäureester (ζ. Β. Adipat. Sebacat) ist. Durch die relativ niedrige Viskosität werden innere Reibungsverluste gering gehalten. Vorzugsweise findet ein öl Verwendung, das wenigstens teilweise flüssigkristallinen Charakter be· sitzt. Durch den besonderen Aufbau von flüssigkristallinen Systemen kann durch eine innere Verschiebung von Gitterschichten Energie weitgehend so aufgefangen werden, daß sie nur geringfügig auf die Polymerschicht übertragen wird.
Durch die Erfindung soll nicht nur der Wartungsaufwand der genannten Antriebe bzw. der Hand- und Winkelstucke bei zahnärztlichen Apparaten reduziert werden, sondern auch die Besiedlung von medizinischen und Dentalgeräten mit Mikroorganismen verhindert werden. Eine nur einmal wöchentlich oder nur einmal monatlich durchzuführende Schmierung würde einer^ seifs defl Wartungsaufwand für den Anwender stärk reduzieren und andererseits die Betriebssicherheit des jeweiligen Apparate*, z.B. Bohrsystems, erhöhen.
Die Lösung besteht darin, daß dem Polymer, vorzugsweise in einer Schichtdicke" Von 0,5 μηΊ bis 10 um ein antimikrobieller Wirkstoff, z, B, mit einer Konzentration von 1 bis 5% bezogen auf den Kunstsioffanteil, zugesetzt ist.
Durch den Zusatz von antimikrobiellem Wirkstoff wird hygienischen Anforderungen Rechnung getragen, die verlangen, daß ζ. B. der Innenraum eines Bohrers kein Wachstum von Mikroorganismen zuläßt bzw. daß das Handstück sterilisiert werden kann. Letztere Forderung im Hinblick auf eine Langzeitschmierung bedingt einen Kunststoff-Film, z.B. Fluorpolymer, und ein öl, ζ. B. Adipat, Sebacat. fluoriertes Öl, die in Kombination eine Sterilisationstemperatur von 1300C aushalten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Polymer (z. B. Fluorpolymer) enthaltenden Lösungsmittel ^in antimikrobielles Additiv, z. B. N-(FIuor-dichlormethylj-phthalimid, vorzugsweise in Konzentration von 1 bis 5% beigemischt. Dadurch wird das Wachstum von Mikroorganismen verhindert. Ein Fluorpolymer allein ist dazu aufgrund seiner geringen Verträglichkeit mit anderen organischen Zusätzen wenig geeignet. Diese Zusätze lassen sich besser in einen Film aus einem besser verträglichen Kunststoff wie Polyester, Poiyoxy methylen oder Pnlyimid einbringen.
Wenn es nicht möglich ist, mit einer einzigen Schmierung die Schmierstellen für die gesamte Lebensdauer eines Gerätes zu erreichen, dann muß das Schmiermittel aus der Schmierstelle herau.cgelöst und nachtraglich erneut eingebracht werden können. Bei dem hier vorliegenden Schichtaufbau Film + Öl muß zunächst der Film aufgebracht und in einem zweiten Schritt das Öl eingebrpcht werden. Wird eine Nachschmierung nötig, z. B. nach einem Jahr Betriebszeit im Laufe der üblichen Wartungsarbeiten, kann z. B. mit einem fluoriertem Lösungsmittel der Kunststoff-Film herausgelöst werden, dann ein neuer Kunststoff-Film mit einem Spray aufgesprüht und anschließend wieder nachgeölt werden.
Das Gemisch aus gelöstem Kunststoff, z. B. Fluorpc lymer und Lösungsmittel oder das Gemisch aus gelöstem Kunststoff. Lösungsmittel und aritimikrobiellem Wirkstoff, z. B. N(Fluor-Dichloi-methyl)-phthali· mid kann zur einfachen Nachbehandlung in unter Druck stehenden Sprayflaschen eingefüllt werden. Auf diese Weise sind Nachbehandlungen leicht durchführbar, so daß Wartungsintervalle verlängert werden können.
Im Falle von sehr hohen Lagerbelastungen beim Anlaufen und beim Abbremsen kann es zu einem Kontakt zwischen Kugeln und Lagerring kommen. In diesen Fällen muß eine feste Schicht vorhanden sein, die einen fehlenden Schmierfilm ersetzen kann. Diese Notlaufeigenschaften werden z. B. nach einer Weiterbil dung der Erfindung dadurch erreicht, daß als Unterlage des Polymer-Filmes eine Schicht aus Molybdänsulfid. M0S2, vorzugsweise in Schichtstärken von 0.5 bis 10 μπι aufgebracht und die MoSj-Schicht mit dem antimikrobiellen Additiv und Öl versehen ist. In der SKFDruckschrift WTS 7 90 421 ist MoS; als alleinige feste Schmierstoffschicht oder in Kombination mit Fetten oder Ölen bereits erwähnt.
DlQSe dünne MoS^ Schicht läßt sich vorzugsweise durch Sputtern oder durch Bedampfen (Physical Vapor Deposition, PVD) erreichen. Diese MöS2 JSchicht kann als ein Reservoir für Öl und antimikrobielles Additiv diener Die Kombination von KüfiSfitföff-Film Und MoSrSchicht ergibt erstens die Möglichkeit, daß Öl und Wirkstoff an die Schmierstelle nachdiffundieren können und zweitens im Notfäll nur die MöS2-Schicht wirken
kann. Im Fall eine* Kunststoffs au- einem Fluorpolymer ist die direkte Diffusion durch den Kunststoff-Film gering. In diesem Fall werden Öl und Wirkstoff durch Kneten insbesondere während des Anlaufens oder Abbremsens aus ihrem Reservoir herausbefördert.
In der DE-PS 6 94 712 werden poröse Metalle als Lagenvrkstoffe und Reservoir für Öle genannt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der die gleitenden Teile, insbesondere bei Kugellagern, umfassende Käfuj aus porösem Material, z. B. P'nenolharz, Sinterwerkstoff, Keramik, Aluminium, Magnesium. Glaskeramik, und dient als Reservoir für das polare Öl und das antimikrobiell Additiv. Eine Kombination von Öl und antimikrobiellem Additiv und die Speicherung in porösem Lagerwerksioff ist noch nicht beschrieben worden.
Es hat sich gezeigt, daß der Käfig, der in seiner einfachsten Form aus Phenolharz besteht, ein ausgezeichneter Träger für antimikrobiell Additive ist. Der Käfig kann Öl und Additive gemeinsam aufnehmen und langsam an die Umgebung bzw. Schmierfläche abgeben.
Als weitere Materialien für den Käfig kommen Sintermetalle wie Zinn-Bronze und porf-.e Glaser in Frage, die alle formstabil und leicht bearbeitbar sein müssen und ein relativ geringes spezifisches Gewicht besitzen.
Ein weiteres Reservoir für Schmiermittel und antimikrobielle Additive kann eine Beschichtung von Ringen und Kugeln mit einem porösen Material wie M0S2 sein. Wird MoS2 (Oi ... 10 μπι) ζ. B. mit Hilfe von Physical Vapor Deposition aufgebracht, besitzt das Lager Notlaufeigenschaften. Die Additive und das Öl können aus dieser porösen Schicht nachgeliefert werden.
Die zusätzliche Kombination mit dem Kunststoff-Film ergibt weitere Möglichkeiten.
1. Öl und Wirkstoff diffundieren nach.
2. Im Normalfall wirken Kunststoff-Film und Öl.
3. Auch bei einem Fluorpolymer können Öl und Add: ive durch Walken aus ihrem Reservoir herausgeknetet werden.
Unter üblichen Beanspruchungen soll ein Lager mehrere |ahre halten. Auch wenn die geforderte Lebensdauer normalerweise mit einer Schmierung ern ichi wird, ist bei häufiger Beanspruchung manchmal j mit einer kürzeren Lebensdauer /u rechnen. Um solchen Fällen gerecht zu werden, kann im Rahmen üblicher Wartungsarbeiten, z. B. nach einem lahr, der Fluorkunststoff und das Öl durch Sprühen mit z. L. Frigen entfernt, anschließend erneut aufgebracht und mit Öl versehen werden. Auch dieser Fall bedeutet eine wesentliche Vereinfachung des Schmierverfahrens.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung enthält der z. B. aus Phenolharz bestehende Käfig ein värmeableitendes Material. In Schmierversuchen hat sich gezeigt, daß z. B. der Phenolharzkäfig besonderen thei mischen Belastungen unterworfen ist, wenn er lange läuft. Während andere Materialien kaum Schäden aufweisen, ist der Käfig thermisch besonders beansprucht. Durch Zugabe von wärmeleitenden Materialien, wie z. B.
Aluminiumpulver im Bereich von 0 bis 25%, kann die thermische Beanspruchung wesen'Mch vermindert werden.
Ausführungsbeispiel
Die entfetteten Laser und Getriebeteile dei Antriebe und Hand/Winkelstücke werden in eine Lösung eines Kunststoffes, z. B. einer Fluorpolymerlösung mit einem Masseanteil von 0,1 bis 10% getaucht. Nach Abdunsten des leicht flüchtigen Lösungsmittels verbleibt auf den
jo Flächen der Lager und der Getriebe ein Kunststoff-Film. Dieser Kunststoff-Film hat die Eigenschaft, nachträglich eingebrachte Schmiermittel zu halten. Für die Herstellung des Kunststoff-Filmes können herkömmliche bekannte Epilamisierungsmittel verwendet werden. Im Anschluß daran wrid mit einem Glycidester (ca. 30 mmVs bei 500C) geschmiert.
Eine weitere Möglichkeit, die Wartungsintervalle zu verlängern, besteht in der Ergänzung des vorherigen Aufbringens durch eine MoSj-Schmierschicht. Zweckmäßigerweise bietet sich hierbei das Aufbringen durch Sputtern oder durch Physical Vapor Deposition (PVD) mit Schichtdicken von 0.5 um bis 10 μπι an.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Schmierung von Gleitstellen-Lagern, Hand- und Winkelstücken, Turbinenlagern mit hohen Drehzahlen — mit zwei Schmiermitteln, wovon das eine ein Polymer und das andere ein öl eventuell in Verbindung mit Additiven ist, d a ■ durch gekennzeichnet, daß auf die Schmierstelle das Polymer, insbesondere ein Fluorpolymer, durch Tauchen, Sprühen, o. ä. aus einer Lösung mit 0,1 bis 10% des Polymers aufgebracht und anschließend mit einem polaren Öl geschmiert wird.
2. Verfahren nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polare öl eine Viskosität von 10... 150mm3/s bei 4O0C besitzt und vorzugsweise aus der Gruppe natürlicher fetter öle stammt (z. B. Glycidester) oder ein langkettiger Mono- oder Dicarbonsäureester (z. B. Adipat. Sebacat) ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymer, vorzugsweise in einer Schichtdicke von OJS μιτι bis ΙΟμπι, ein antimikrobielles Additiv, z.B. mit einer Konzentration von 1 bis 5% bezogen auf den Polymeranteil, zugesetzt ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymer (z. B. Fluorpolymer) enthaltenden Lösungsmittel ein antimikrobielles Additiv, z. B. N-(Fluor-dichlormethyl)-phihalimid, vorzugsweise in Konzentrationen von 1 bis 5% beigemischt ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, mit einer zusätzlichen MoSj-Schmierschichi. dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage des Polymer-Filmes die MoS.vSchmierschicht vorzugsweise in Schichtstarken von 0.5 bis 10 (im. aufgebracht und die MoSrSchicht mit einem antimikrobiellcn Additiv und Öl verschen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die MoS-Schicht durch Sputtern oder durch Bedampfen aufgebracht ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der die gleitenden Teile, insbesondere bei Kugellagern, umfassende Käfig aus porösem Material, z. B. Phenolharz. Sinterwerksioff. Keramik. Aluminium. Magnesium. Glaskeramik, besteht und als Reservoir für das polare Öl und das antimikro bielle Additiv dient.
8 Verfahren nach '\nspruch ?. dadurch gekennzeichnet, i'aß der Käfig ein wärmeableitendes Material enthält.
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